DE19821558A1 - Positionsmeßeinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Maßstab sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines Maßstabes.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Positionsmeßeinrichtung, in der ein der
artiger Maßstab verwendet wird.
Für Meßmaschinen und Werkzeugmaschinen werden Positionsmeßeinrich
tungen großer Länge benötigt. Um die Herstellung der Maßstäbe dieser Po
sitionsmeßeinrichtungen zu erleichtern, werden mehrere kurze Teilstücke
gefertigt und diese Teilstücke zur gesamten Meßlänge auf einem Grundkör
per zusammengesetzt.
In der DE 28 47 719 A ist eine Positionsmeßeinrichtung und ein Verfahren
zur Herstellung eines Maßstabes beschrieben. Die Teilstücke des Maßsta
bes werden mit dem Grundkörper durch Schweißen starr verbunden. Zu
sätzlich können an den Stoßstellen der Teilstücke Punktschweißverbindun
gen angeordnet sein. Die Teilstücke des Maßstabes sind aus Metall.
Eine ähnliche Positionsmeßeinrichtung ist in der DE 15 48 875 A beschrie
ben. Mehrere Teilstücke eines Maßstabes sind auf einem Grundkörper auf
geschweißt. Die Teilstücke bestehen aus einer dünnen Folie.
Weitere Positionsmeßeinrichtungen, bei denen ein Teilungsträger durch
Schweißen auf einem Grundkörper befestigt ist, sind aus der EP 0 624 780
A und der JP 8-145609 A bekannt.
Eine Positionsmeßeinrichtung, von der unsere Erfindung ausgeht, ist in der
DE 38 18 044 A beschrieben. Mehrere Teilstücke eines Maßstabes aus Glas
sind auf einem Grundkörper in Meßrichtung aneinander angelegt und glei
tend mit dem Grundkörper verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und ge
nauen Maßstab sowie eine Positionsmeßeinrichtung insbesondere für große
Meßlängen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5, 11 bzw. 12 ge
löst.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes insbesondere für große Meß
längen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 8 bzw. 9 gelöst.
Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß als Träger der Maß
verkörperung relativ billiges Glas mit hochwertiger optischer und mechani
scher Oberflächenqualität eingesetzt werden kann. Durch die erfindungsge
mäße Verbindung der Maßstab-Teilstücke erhält man einen über die ge
samte Meßlänge homogenen Maßstab.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Positionsmeßeinrichtung mit einem Maß
stab aus mehreren Maßstab-Teilstücken,
Fig. 2 eine Verbindungsstelle zweier Maßstab-Teil
stücke im Detail,
Fig. 3 eine weitere Verbindungsstelle zweier Maß
stab-Teilstücke im Detail,
Fig. 4 eine weitere Verbindungsstelle zweier Maß
stab-Teilstücke im Detail und
Fig. 5 zwei Maßstab-Teilstücke mit einer Verbin
dungsstelle zwischen einem Teilstück und ei
nem Grundkörper.
Die Positionsmeßeinrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einem Maßstab 1
und einer in Meßrichtung X relativ zum Maßstab 1 verschiebbaren Abtast
einheit 2. Zur Positionsmessung an einer Meßmaschine oder einer Werk
zeugmaschine ist der Maßstab 1 an einem Bett und die Abtasteinheit 2 an
einem dazu bewegbaren Schlitten befestigt.
Der Maßstab 1 besteht aus einem Grundkörper 10, auf dem in Meßrichtung
X hintereinander mehrere Maßstab-Teilstücke 11, 12, 13 angeordnet sind.
Der Grundkörper 10 ist beispielsweise eine über die gesamte Meßlänge
durchgehende Schiene aus Metall, insbesondere aus Stahl. Bei gekapselten
Positionsmeßeinrichtungen kann der Grundkörper 10 gleichzeitig das Ge
häuse - beispielsweise aus Aluminium - bilden.
Jedes der Maßstab-Teilstücke 11, 12, 13 trägt eine Maßverkörperung in
Form einer inkrementalen Teilung 14. Diese Teilung 14 ist nach bekannten
lithografischen Verfahren gefertigt und ist lichtelektrisch im Durchlichtverfah
ren abtastbar. Die Länge der Teilstücke 11, 12, 13 ist auf die Länge der bei
der Herstellung verwendeten Kopiereinrichtung beschränkt.
Die Teilstücke 11,12, 13 sind mit dem Grundkörper 10 über eine in Meß
richtung X elastische Schicht 15 verbunden. Unterschiedliche Längenände
rungen des Grundkörpers 10 und der Teilstücke 11, 12, 13 werden durch die
Schicht 15 ausgeglichen.
Die Teilstücke 11, 12, 13 bestehen aus transparentem Glas, insbesondere
Floatglas oder Glaskeramik (Markenname: Zerodur) und sind an den Stoß
stellen mittels Schweißen fest miteinander verbunden. Hierzu werden die
Teilstücke 11, 12, 13 zuerst auf die elastische Schicht 15 aufgelegt und die
Enden aneinander gestoßen, danach erfolgt das Verschweißen der Teil
stücke 11, 12, 13 miteinander.
Zur Erzeugung eines Fixpunktes zwischen den Teilstücken 11, 12, 13 und
dem Grundkörper 10 kann ein Teilstück 12 an einer einzigen Position P
durch Schweißen starr am Grundkörper 10 befestigt werden.
Die Abtasteinheit 2 besteht aus zumindest einer Lichtquelle 21 und zumin
dest einem Photodetektor 22. Die Lichtquelle 21 ist auf einer Seite der Teil
stücke 11, 12, 13 und der Photodetektor 22 auf der gegenüberliegenden
Seite der Teilstücke 11, 12, 13 angeordnet.
Als Schweißverfahren an den Stoßstellen der Teilstücke 11, 12, 13 und an
dem Fixpunkt P können alle bekannten Verfahren eingesetzt werden, wie
z. B. Widerstandsschweißen, Diffusionsschweißen und Laserschweißen. Da
gemäß der Erfindung die Teilstücke 11, 12, 13 bereits mit einer Teilung 14
versehen sind, muß beim Schweißvorgang besonders darauf geachtet wer
den, daß die thermische Belastung der Teilung 14 gering bleibt. Aus diesem
Grund ist das Laserschweißen besonders geeignet. Die Lasterstrahlung
kann bis zum minimalen Durchmesser im Bereich der Wellenlänge fokussiert
werden, wodurch minimale Bearbeitungszonen erzielt werden können. Die
Intensität der Laserstrahlung kann einfach gesteuert werden, mit den hohen
erzielbaren kontinuierlichen oder gepulsten Leistungen ist am Werkstück
eine Intensität von 105 bis 1010 W/cm2 erreichbar. Diese gezielt steuerbaren
hohen Intensitäten haben den Vorteil, daß die beim Schweißen erzeugte
Wärme nur gezielt lokal und kurzzeitig aufgebracht werden muß, was eine
minimale wärmebeeinflußte Zone und somit minimalen Verzug der Teil
stücke 11, 12, 13 zur Folge hat.
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Laserschweißens ist es vorteil
haft, wenn der Laserstrahl eine Wellenlänge hat, für die das Glas der Teil
stücke 11, 12,13 transparent wirkt. Die Wellenlänge also so an das Material
der Teilstücke 11,12,13 angepaßt ist, daß im Glas selbst keine Wärmeab
gabe erfolgt. Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, daß die
Wärmeabgabe ausschließlich an den zu verschweißenden Stoßstellen der
Teilstücke 11, 12, 13 erfolgt. Die Oberflächenrauhigkeit der Teilstücke 11,
12, 13 an den Stoßstellen hat zur Folge, daß die Laserstrahlung ausschließ
lich an diesen Bereichen absorbiert wird und das Glasmaterial nur lokal er
hitzt und verschweißt wird.
In Fig. 2 ist eine Verbindungsstelle zweier Teilstücke 11, 12 im Detail dar
gestellt. Die Oberflächen der beiden zu verschweißenden Enden sind zur
besseren Absorption der Laserstrahlung durch Schleifen angerauht. Die bei
den Enden werden aneinander gestoßen und der Laserstrahl 16 auf die
Stoßstelle gerichtet. Das Laserschweißen von Glas-Maßstäben 11, 12 hat
den Vorteil, daß in der Regel beim Schweißvorgang keine Lageänderung der
beiden Teilstücke 11,12 erfolgt. Haben die Enden zu der Teilung 14 eine
definiert vorgegebene Lage, so ist eine Justierung des Stoßes nicht erforder
lich, ein einfaches Aneinanderstoßen der beiden Enden ist ausreichend. Die
Enden sind so bearbeitet, daß im aneinandergestoßenen Zustand der Enden
die beiden aufeinanderfolgenden Teilstriche 141 und 142 beider Teilstücke
11, 12 den Sollabstand T aufweisen. Bei der dargestellten inkrementalen
Teilung 14 ist T die Teilungsperiode. Diese Methode ist bei Glas-Maßstäben
11, 12 besonders vorteilhaft realisierbar, da die Enden hochgenau bearbeitet
werden können. Die Verschweißung kann je nach Fokussierung und Ein
fallswinkel des Laserstrahls 16 über die gesamte Stoßstelle (Trennfläche)
erfolgen, oder nur Teilbereiche bzw. Ränder der Trennfläche umfassen.
In Fig. 3 ist eine weitere Verbindungsstelle zweier Maßstab-Teilstücke 11,
12 dargestellt. Zwischen den Enden der Teilstücke 11, 12 ist eine die Laser
strahlung 16 absorbierende Schicht 17 vorgesehen. Die Schicht 17 kann
eine Dicke aufweisen, die einer Lücke zwischen zwei Teilstrichen entspricht,
sie kann aber auch einer Breite eines Teilstriches entsprechen. Das Material
der Schicht 17 absorbiert die Laserstrahlung 16, wodurch die Schicht 17 und
das angrenzende Glas erwärmt und miteinander verschweißt wird. Die
Schicht 17 kann aus Silizium, Chrom, Nickel, CrNi oder MoTi bestehen.
Die Schicht 17 kann durch Aufdampfen oder chemische Abscheidung auf ein
Ende oder auf beide Enden der Teilstücke 11, 12 aufgebracht werden.
Die Schicht 17 kann fest aber auch flüssig oder pastös sein und beim
Schweißvorgang der Teilstücke 11, 12 verdampfen oder zumindest teilweise
in die Gläser diffundieren, wodurch eine chemische Verzahnung der Teil
stücke 11, 12 erfolgt.
Eine besonders stabile Verbindung erhält man, wenn als Schicht 17 ein Me
talloxid (z. B. Platinoxid) Verwendung findet, da beim Schweißvorgang Me
talloxide an den Endbereichen der Teilstücke 11, 12 in das Glas eindiffundie
ren.
Beim Laserschweißen besteht die Möglichkeit, die Schweißstelle auch in der
Tiefe gezielt wählen zu können. So kann die Laserstrahlung 16 auf eine
Ebene konzentriert werden, die außerhalb der die Teilung 14 tragenden
Oberfläche liegt. Dies hat den Vorteil, daß beim Schweißvorgang keine, bei
der Abtastung störende Schweißstelle an der Oberfläche entstehen kann
und die Teilung 14 nicht beeinflußt wird. Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 4
dargestellt. Der Laserstrahl 16 wird senkrecht zu der die Teilung 14 tragen
den Oberfläche ausgerichtet und auf eine Ebene unterhalb dieser Oberflä
che fokussiert. Die Verschweißung erfolgt außerhalb der die Teilung 14 tra
genden Ebene. Die beiden zu verschweißenden Enden der Teilstücke 11, 12
können senkrecht (90°) zur Oberfläche verlaufen, oder von 90° abweichend,
wie in Fig. 4 dargestellt.
Bei dem Beispiel in Fig. 5 werden die beiden Teilstücke 11, 12 mit dem La
serstrahl 16 an dem Grundkörper 10 geschweißt. Der Laserstrahl 16 ist auf
die Verbindungsstelle fokussiert und die Wellenlänge ist an das Glasmaterial
der Teilstücke 11, 12 angepaßt, so daß es beim Durchlaufen des Laser
strahls 16 möglichst wenig Energie absorbiert und erst an der Grenzfläche
Glas - Metall die Energie abgegeben wird. An dieser Grenzfläche entsteht
eine chemische Verbindung durch Diffusion von Metalloxiden. Zur besseren
Verschweißung können zusätzlich an der Grenzfläche Hilfsschichten einge
bracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen einer Chromschicht, die
aufgrund ihres oxidischen Charakters eine Bindung zum Glas eingeht und
auch wegen des metallischen Charakters eine Legierungsbildung zum me
tallenen Grundkörper 10 ermöglicht.
Die in Fig. 5 dargestellte Schweißverbindung kann allein oder zusätzlich zu
den in den Fig. 2 bis 4 beschriebenen Schweißverbindungen realisiert
werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft - wie in Fig. 1 dargestellt - wenn
die Verschweißung der miteinander verschweißten Glas-Teilstücke 11, 12,
13 mit dem Grundkörper 10 nur an einer einzigen Position P (Referenzpunkt)
erfolgt. Die Einheit der miteinander verschweißten Teilstücke 11, 12, 13 kann
auch nur an den beiden Enden mit dem Grundkörper 10 verschweißt werden
und im übrigen Bereich in Meßrichtung beispielsweise über eine Klebstoff-
oder Flüssigkeitsschicht elastisch gelagert sein. Die Verschweißung kann
auch an mehreren Positionen oder auch kontinuierlich über die gesamte
Meßlänge erfolgen.
Eine starre Verbindung zwischen mehreren oder nur einem Glas-Teilstück
11, 12, 13 und einem Grundkörper 10, hergestellt durch Verschweißen an
mehreren Positionen oder auch kontinuierlich über die gesamte Meßlänge,
kann auch dazu dienen, um den Glas-Teilstücken 11, 12, 13 bzw. dem nur
einen Glas-Teilstück das Ausdehnungsverhalten des Grundkörpers 10 auf
zuzwingen. Dabei besteht der Grundkörper 10 bevorzugt aus Metall.
Der Grundkörper 10 kann auch aus Metall, Keramik oder Glas bestehen. Der
Grundkörper 10 ist in besonders vorteilhafter Weise ein über die gesamte
Meßlänge durchgehender Körper. Er kann auch direkt ein Bauteil einer
Werkzeugmaschine oder Meßmaschine sein. Der Grundkörper 10 kann
auch eine Führung sein, die auf eine Werkzeugmaschine oder Meßma
schine aufsetzbar ist und zur Führung eines Maschinenteiles dient.
Die Maßvorkörperung kann eine inkrementale Teilung oder ein einspuriger
bzw. mehrspuriger Code sein.
Der verwendete Laser zur Erzeugung des Laserstrahls 16 kann ein CO2-
oder ein YAG-Laser sein.
Claims (12)
1. Maßstab mit einem Grundkörper (10), auf dem mehrere Maßstab-Teil
stücke (11, 12, 13) aus Glas aufgebracht sind und jedes Teilstück (11,
12, 13) eine Maßverkörperung (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilstücke (11, 12, 13) an den Stoßstellen miteinander ver
schweißt sind.
2. Maßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke
(11, 12, 13) mit dem Grundkörper (10) über eine in Meßrichtung (X) ela
stische Schicht (15) verbunden sind.
3. Maßstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische
Schicht (15) eine Klebstoffschicht ist.
4. Maßstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen den Teilstücken (11, 12, 13) und dem Grund
körper (10) an zumindest einer Position (P) eine Schweißverbindung
vorgesehen ist.
5. Maßstab mit einem Grundkörper (10), auf dem zumindest ein Maßstab-
Teilstück (11, 12, 13) aus Glas aufgebracht ist und dieses Teilstück (11,
12, 13) eine Maßverkörperung (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß das zumindest eine Teilstück (11, 12, 13) mit dem Grundkörper (10)
verschweißt ist.
6. Maßstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Maßverkörperung eine lichtelektrische abtastbare Teilung (14)
ist.
7. Maßstab nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grundkörper (10) aus Metall besteht.
8. Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes (1) mit den Verfahrens
schritten:
- - Aufbringen einer Maßverkörperung (14) auf mehrere Maßstab-Teil stücke (11, 12, 13) aus Glas,
- - Auflegen der Teilstücke (11, 12, 13) auf einen Grundkörper (10),
- - Verschweißen der Teilstücke (11, 12, 13) an den Stoßstellen.
9. Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes (1) mit den Verfahrens
schritten:
- - Aufbringen einer Maßverkörperung (14) auf zumindest ein Maß stab-Teilstück (11, 12, 13), das aus Glas besteht,
- - Auflegen dieses Teilstückes (11, 12, 13) auf einen Grundkörper (10),
- - Verschweißen des zumindest einen Teilstückes (11, 12, 13) mit dem Grundkörper (10).
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verschweißen mittels Laserschweißen erfolgt
11. Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab (1), bestehend aus einem
Grundkörper (10), auf dem mehrere Maßstab-Teilstücke (11, 12, 13)
aus Glas aufgebracht sind und jedes Teilstück (11, 12, 13) eine Maß
verkörperung (14) aufweist, die von einer Abtasteinheit (2) mit einer
Lichtquelle (21) und zumindest einem Photodetektor (22) zur Erzeugung
von positionsabhängigen Abtastsignalen abtastbar ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Teilstücke (11, 12, 13) an den Stoßstellen miteinander
verschweißt sind.
12. Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab (1), bestehend aus einem
Grundkörper (10), auf dem zumindest ein Maßstab-Teilstück (11, 12, 13)
aus Glas mit einer Maßverkörperung (14) aufgebracht ist, die von einer
Abtasteinheit (2) mit einer Lichtquelle (21) und zumindest einem Photo
detektor (22) zur Erzeugung von positionsabhängigen Abtastsignalen
abtastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Teilstück
(11, 12, 13) mit dem Grundkörper verschweißt ist.
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